王力智,董長(zhǎng)銀,何海峰,曹慶平,宋雅君
(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;2.中國(guó)石化勝利油田分公司孤東采油廠,山東東營(yíng) 257000;3.中國(guó)石油大港油田分公司石油工程技術(shù)研究院,天津 300450)
聚合物堵塞是非均相復(fù)合驅(qū)油田開(kāi)發(fā)面臨的主要問(wèn)題之一,非均相復(fù)合驅(qū)后地層出砂嚴(yán)重,且易與聚合物產(chǎn)生復(fù)合堵塞,造成油井產(chǎn)量降低,所以防砂解堵是保證油田高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。聚合物注入過(guò)程中,會(huì)在復(fù)雜地層條件下與地層中的巖石、微生物和流體等發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致其老化并黏合油、砂和黏土,形成聚合物堵塞物[1]。目前,針對(duì)非均相復(fù)合驅(qū)的研究主要集中于聚合物原液在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移及驅(qū)替規(guī)律[2-9],聚合物老化堵塞方面研究很少。關(guān)于注聚井堵塞規(guī)律及原因方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用礦場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)、室內(nèi)注聚實(shí)驗(yàn)分析及數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了一些研究[10-18]。孟向麗等人[10]分析認(rèn)為堵塞產(chǎn)生的原因包括微粒運(yùn)移,聚合物混合不均勻、相對(duì)分子質(zhì)量過(guò)大,無(wú)機(jī)物與細(xì)菌的影響等;I.W.Jolma 等人[11-12]指出,聚合物濃度、聚合物分子大小與孔喉尺寸的關(guān)系決定了聚合物在巖石基質(zhì)中的堵塞程度;鄭俊德等人[13-14]基于堵塞物成分分析結(jié)果,得出了堵塞程度與滲透率的關(guān)系;劉繼瑩等人[15]揭示了殘余聚合物在地層中的分布特征;董長(zhǎng)銀等人[16]針對(duì)聚合物驅(qū)防砂介質(zhì),提出了物理化學(xué)復(fù)合堵塞機(jī)制,指出了堵塞與固相顆粒、原油和聚合物的關(guān)系;劉東等人[17]通過(guò)研究聚合物在砂礫表面的吸附形態(tài),初步揭示了注聚井堵塞的部分原因。以上研究均針對(duì)常規(guī)聚合物驅(qū)油藏的堵塞,缺乏堵塞物運(yùn)移機(jī)理的研究,聚合物堵塞物對(duì)于近井擋砂介質(zhì)的堵塞規(guī)律不明確。為此,本文基于礫石充填防砂原理[19-22],進(jìn)行了聚合物堵塞物在非均質(zhì)地層中的運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn),模擬了堵塞物對(duì)礫石層的堵塞過(guò)程,分析了堵塞物在多孔介質(zhì)中運(yùn)移規(guī)律,提出了堵塞物對(duì)擋砂介質(zhì)的堵塞機(jī)制,為制定聚合物驅(qū)防砂井近井地帶聚合物堵塞的解堵措施提供了依據(jù)。
地層中殘余聚合物非均質(zhì)性分布明顯,且與地層滲透率密切相關(guān)[14-15]。油井出聚后近井儲(chǔ)層及擋砂介質(zhì)堵塞嚴(yán)重,主要原因是聚合物與固相顆粒的物理化學(xué)復(fù)合堵塞[16]。為了模擬堵塞物在非均質(zhì)地層中的運(yùn)移及在擋砂介質(zhì)中的復(fù)合堵塞過(guò)程,研制了非均相復(fù)合驅(qū)介質(zhì)堵塞模擬實(shí)驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖1)。該裝置由儲(chǔ)液罐、液泵、集砂罐、單向驅(qū)替裝置和加砂器等組成,其中,單向驅(qū)替裝置由不同直徑的圓柱形透明容器短節(jié)組合而成,短節(jié)中可以靈活充填不同類(lèi)型的固相顆粒。
圖1 非均相復(fù)合驅(qū)介質(zhì)堵塞模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental simulation device of medium plugging of heterogeneous composite flooding
研究目標(biāo)工區(qū)為勝利孤東油田,非均相復(fù)合驅(qū)區(qū)塊的地層砂粒徑中值約0.15 mm,防砂時(shí)主要采用了粒徑0.60~1.20 mm 和0.40~0.80 mm 的2 種礫石。本文實(shí)驗(yàn)選擇了用量較大、具有代表性的粒徑中值0.15 mm 的地層砂和粒徑0.60~1.20 mm 的礫石。實(shí)驗(yàn)地層砂是根據(jù)目標(biāo)工區(qū)典型地層砂篩析曲線選取不同粒徑石英砂配制而成,粒徑中值為0.15 mm,泥質(zhì)含量為15%,泥質(zhì)采用高嶺石、伊利石、蒙脫石按1:3:1 的比例配制而成;固相充填材料為普通礫石,粒徑為0.60~1.20 mm,粒徑中值為1.07 mm。堵塞物采用防砂油井中取出的樣品。
實(shí)驗(yàn)流體包括清水、驅(qū)替基液、聚合物與PPG(預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒)復(fù)配原液。其中,驅(qū)替基液采用黏度3.0 mPa·s 的胍膠溶液;將聚丙烯酰胺顆粒與PPG(配比為1:1)低速攪拌至完全溶解,得到聚合物與PPG 復(fù)配原液,其總質(zhì)量濃度為2400 mg/L。
現(xiàn)場(chǎng)堵塞物取樣時(shí)發(fā)現(xiàn),非均相復(fù)合驅(qū)后部分井的篩管、地層返吐物中含有大量的黏稠狀堵塞物。稱取一定量的堵塞物,進(jìn)行成分分析:先用石油醚浸泡2 次,分離出其中的飽和烴、芳香烴和膠質(zhì);再用苯浸泡清洗,分離出其中的瀝青質(zhì);最后用蒸餾水清洗,分離出其中的砂粒及老化聚合物。結(jié)果表明:堵塞物中聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%~90%,油污、砂粒及垢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%,其他物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%。
采用燃燒法和粉末衍射法,對(duì)成分分析后的堵塞物進(jìn)行元素分析,結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出,堵塞物含有多種金屬離子,說(shuō)明聚合物與高礦化度地層流體發(fā)生反應(yīng)是導(dǎo)致其凝膠化的原因之一。結(jié)合堵塞物成分分析結(jié)果可以看出,聚丙烯酰胺及PPG 進(jìn)入地層后在復(fù)雜地層條件下會(huì)發(fā)生老化,并與油污、砂礫等形成黏稠狀混合物。
表1 聚合物堵塞物樣品元素分析結(jié)果Table 1 Element analysis results of poly mer plug samples
將礫石與地層砂分別以不同組合形式裝填于單向流透明容器短節(jié),其中充填地層砂模擬低孔隙度低滲透性地層,充填礫石模擬高孔隙度高滲透性地層。甲組實(shí)驗(yàn)通過(guò)在容器短節(jié)中部充填圓柱狀礫石柱,模擬地層中高滲透帶延伸狀態(tài)(見(jiàn)圖2);乙組實(shí)驗(yàn)通過(guò)在容器短節(jié)前端充填礫石并逐步形成圓錐形尖滅,模擬高滲透帶出現(xiàn)尖滅逐漸消失的狀態(tài)(見(jiàn)圖3)。在填砂面前端均勻填入3.0g堵塞物,使用清水進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。主體裝置使用圖1中的單向驅(qū)替裝置A,內(nèi)徑50mm,充填段長(zhǎng)度150mm;驅(qū)替排量0.6m3/h,驅(qū)替時(shí)間約40min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量流量和短節(jié)兩端的驅(qū)替壓差,計(jì)算滲透率變化,結(jié)果如圖4所示。
圖2 甲組實(shí)驗(yàn)中填充礫石模擬延伸狀態(tài)的高滲透帶Fig.2 Simulation of the high permeability zone in the extension state utilizing gravel filling in group A
圖3 乙組實(shí)驗(yàn)中填充礫石模擬存在尖滅的高滲透帶Fig.3 Simulation of the high permeability zone with pinch out utilizing gravel flling in group B
圖4 不同孔道類(lèi)型條件下礫石層總體滲透率變化曲線Fig.4 Overall permeability variation curve of gravel layer under different channel type conditions
由圖4可見(jiàn),在相同驅(qū)替流體和流量的條件下,填入堵塞物后,礫石層總體滲透率顯著下降,乙組實(shí)驗(yàn)中的礫石層(初始滲透率5.8D)總體滲透率下降36%,下降幅度略高于甲組實(shí)驗(yàn)中的礫石層。從圖4還可以看出,礫石層滲透率變化分為3個(gè)階段:階段1,滲透率迅速降低;階段2,滲透率出現(xiàn)一定幅度波動(dòng);階段3,乙組實(shí)驗(yàn)中的礫石層總體滲透率緩慢下降約0.1 D,甲組實(shí)驗(yàn)中的礫石層總體滲透率上升約0.2 D。
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,取出局部樣品,觀察堵塞物的運(yùn)移及聚集狀態(tài)。圖5(a)為甲組實(shí)驗(yàn)填砂管中部高滲透帶(即礫石層)的堵塞物侵入形態(tài)照片,可以看出,堵塞物在高滲透帶端面附著聚集較多,中部與砂礫呈混合狀,底部可見(jiàn)少量細(xì)碎堵塞物。這說(shuō)明堵塞物明顯沿高滲透帶侵入運(yùn)移,但侵入程度越來(lái)越弱。圖5(b)為高低滲透帶交界面處堵塞物侵入形態(tài),可以看出,驅(qū)替方向前端與末端有清晰的侵人分界面,低滲透帶(即地層砂)中未觀察到堵塞物侵入。這是由于高低滲透帶的流動(dòng)性差異,堵塞物會(huì)沿有較大孔喉的高滲透帶運(yùn)移,侵入低滲透儲(chǔ)層的概率極低。
圖5 甲組實(shí)驗(yàn)中不同位置處的堵塞物侵入形態(tài)Fig.5 Experimental results of plug intrusion pattern at different positions in group A
乙組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,取出局部樣品觀察堵塞物的運(yùn)移及聚集狀態(tài)﹐結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可以看出,端面堵塞物較多,呈黏稠狀附著于表面;部分堵塞物侵人高滲透帶﹐高低滲透帶交界面有明顯的堵塞物;低滲透帶中未觀察到堵塞物侵入。
圖6 乙組實(shí)驗(yàn)中不同位置堵塞物侵入形態(tài)Fig,6 Experimental results of plug intrusion pattern at different positions in group B
由圖6還可以看出,侵人高滲透帶的堵塞物要少于高低滲透帶交界面處的堵塞物。分析認(rèn)為,乙組實(shí)驗(yàn)中高滲透帶內(nèi)堵塞物在不同階段(見(jiàn)圖4)表現(xiàn)為:階段1,大尺寸堵塞物在驅(qū)替作用下快速堵塞礫石層孔喉,并且堵塞物中黏彈性聚合物包裹黏附于礫石層表面,造成礫石層總體滲透率快速降低;階段2,堵塞物中部分小尺寸黏團(tuán)在流體攜帶作用下剝落并侵人高滲透帶,大尺寸堵塞物在拉伸剪切作用下也會(huì)逐漸沿高滲透帶運(yùn)移,壓力出現(xiàn)一定程度波動(dòng);階段3,聚合物堵塞物向高滲透帶末端運(yùn)移過(guò)程中遇到低滲透帶時(shí),逐漸產(chǎn)生聚集堵塞并出現(xiàn)清晰界面,高滲透帶總體滲透率緩慢下降。與乙組實(shí)驗(yàn)相比,甲組實(shí)驗(yàn)中堵塞物在高滲透帶內(nèi)前兩階段的運(yùn)移規(guī)律致,但由于其不存在孔道變化,小尺寸黏團(tuán)逐漸剝落并通過(guò)礫石層,因而總體滲透率出現(xiàn)小幅度上升。
通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到堵塞物在多孔介質(zhì)的運(yùn)移堵塞機(jī)理為:1)聚合物堵塞物中的主要成分聚合物老化物為交聯(lián)凝膠狀物質(zhì),不易流動(dòng)且具有黏附性,趨于以小尺寸黏團(tuán)形態(tài)沿大孔道或高滲透帶運(yùn)移,不易侵人低滲透帶;2)聚合物堵塞物在孔喉尺度較小的儲(chǔ)層中流動(dòng)性差,運(yùn)移過(guò)程中遇到空間狹窄或低滲透區(qū)時(shí),會(huì)重新聚集形成堵塞(見(jiàn)圖7(a))。
圖7 儲(chǔ)層多孔介質(zhì)及近井儲(chǔ)層聚合物堵塞物運(yùn)移堵塞原理示意Fig.7 Schematic diagram of migration and plugging of polymer plug in porous media and near well formation
從宏觀角度看,部分油田注水開(kāi)發(fā)后期轉(zhuǎn)注聚開(kāi)發(fā),會(huì)存在局部高滲透區(qū)或地層大孔道,注入的聚合物與PPG顆粒會(huì)沿高滲透區(qū)突進(jìn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,聚合物與PPG顆粒向井眼流動(dòng)過(guò)程中,在復(fù)雜條件下與地層水生成小尺度老化堵塞物,沿局部大孔道或高滲透帶運(yùn)移,在井眼周?chē)蔷|(zhì)高滲透帶狹窄處或低滲透帶形成聚團(tuán),最終造成近井堵塞(見(jiàn)圖7(b))。形成地層均勻堵塞所需要的堵塞物量巨大,且聚合物老化形成凝膠狀堵塞物需要一定時(shí)間,很難達(dá)到相應(yīng)堵塞條件,因此流道局部堵塞是主要的堵塞模式。
為了明確聚合物堵塞物與地層砂對(duì)近井擋砂介質(zhì)(即礫石層)的堵塞程度,進(jìn)行了堵塞物與地層砂對(duì)礫石層的復(fù)合堵塞模擬實(shí)驗(yàn):基液攜帶地層砂分別驅(qū)替干凈礫石層和前端均勻填充3.0g聚合物堵塞物的礫石層,礫石層長(zhǎng)度150mm,初始滲透率約82D,驅(qū)替排量1.2m3/h。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算得到2次實(shí)驗(yàn)的礫石層滲透率(見(jiàn)圖8)。
圖8 聚合物堵塞物對(duì)礫石層總體滲透率的影響Fig.8Effect of polymer plug on the overall permea bility of gravel layer
由圖8可見(jiàn),基液攜帶地層砂驅(qū)替過(guò)程中,礫石層總體滲透率均會(huì)逐漸下降并達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。其中,無(wú)聚合物堵塞物的干凈礫石層堵塞速度較慢,且堵塞程度較輕;有聚合物堵塞物的礫石層總體滲透率出現(xiàn)一定程度的波動(dòng),穩(wěn)定后滲透率下降約12D,驅(qū)替結(jié)束后其最終滲透率與無(wú)堵塞物的干凈礫石層相比降低約47.4%。這表明,聚合物堵塞物運(yùn)移至礫石層不但會(huì)導(dǎo)致礫石層滲透率大幅降低及波動(dòng),而且會(huì)加劇地層砂對(duì)礫石層的堵塞。
復(fù)合堵塞實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,取出局部樣品觀察堵塞物的運(yùn)移及聚集狀態(tài),結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn),礫石層端部堵塞物侵人較明顯,黏稠堵塞物擠入礫石孔隙中并包娶礫石與地層砂;礫石層中部可見(jiàn)少量小尺寸堵塞物,表面黏附地層砂;礫石層底部仍可見(jiàn)少量小尺寸堵塞鈞黏團(tuán)。這說(shuō)明堵塞物與礫石層接觸后,會(huì)擠人礫石層孔隙并包裹附著礫石造成初步堵塞,而曾切剎落的小尺寸黏團(tuán)會(huì)繼續(xù)侵入礫石層,從耐加劇堵塞程度。研究表明人[1],親水物質(zhì)對(duì)聚合物的吸附性較好,而普通礫石在地層水中表現(xiàn)為強(qiáng)親水性。本文采用的非均相聚合物驅(qū)近井地帶堵塞物為老化聚合物與油砂的混合物,對(duì)于強(qiáng)親水充填礫石,聚合物首先會(huì)吸附在礫石表面,進(jìn)而增加了原油瀝青質(zhì)的吸附量,使礫石表面潤(rùn)濕性從親水向親油方向改變,進(jìn)一步增大了堵塞物對(duì)原油的吸附量
圖9 不同位置的聚合物堵塞物侵入形態(tài)Fig.9 Polymer plug intrusion pattern at different positions
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,聚合物堵塞物侵入深度約為礫石層厚度的1/3,另有少量堵塞物通過(guò)礫石層,其大小有所差異,但多數(shù)粒徑小于0.1 cm,有少量較大團(tuán)塊。這說(shuō)明通過(guò)礫石層的堵塞物多為剝落小尺寸堵塞物,僅有少量大尺寸堵塞物受液體攜帶而緩慢運(yùn)移通過(guò)礫石層。
分析認(rèn)為,聚合物堵塞物成分及含量是影響堵塞程度的主要因素,為此,采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了堵塞物成分及含量對(duì)礫石層堵塞程度的影響。首先,用石油醚和苯浸泡清洗堵塞物,分離出其中的飽和烴、芳香烴和膠質(zhì)瀝青質(zhì);然后在單向驅(qū)替裝置中充填礫石層(初始滲透率約為82D),礫石層前端分別均勻充填3.0g處理后堵塞物、3.0g原始堵塞物及5.0g原始堵塞物;最后基液攜帶地層砂進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn),排量1.2 m3/h。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算得到的礫石層總體滲透率如圖10所示。
圖10 堵塞物成分和含量對(duì)礫石層總體滲透率的影響 Fig.10 Effect of different plug composition and content on the overall permeability of gravel layer
由圖10可以看出,加入聚合物堵塞物后,礫石層總體滲透率均出現(xiàn)一定波動(dòng),初步平穩(wěn)后,填充3.0g原始堵塞物的礫石層總體滲透率約為填充3.0g處理后堵塞物礫石層的88%;攜砂驅(qū)替結(jié)束后,填充3.0g原始堵塞物的礫石層總體滲透率約為填充3.0g處理后堵塞物礫石層的55.4%;堵塞物含量越高,其對(duì)礫石層的堵塞越嚴(yán)重,同時(shí)地層砂對(duì)礫石層的堵塞程度明顯加劇,短節(jié)兩端壓差急劇上升、超過(guò)裝置量程,不得不停止實(shí)驗(yàn)。這表明,聚合物堵塞物處理后結(jié)構(gòu)更加松散,更容易通過(guò)礫石層,與地層砂的協(xié)同堵塞作用降低;高含量堵塞物會(huì)迅速黏附于礫石層表面,包裹礫石層堵塞孔喉,與地 層砂協(xié)同堵塞作用增強(qiáng)。
驅(qū)替結(jié)束后,取出填充處理后堵塞物礫石層局部樣品,觀察堵塞物的運(yùn)移及聚集狀態(tài),結(jié)果如圖11所示。與圖9中堵塞物的形態(tài)相比,圖11中堵塞物的透明程度增加,對(duì)礫石層包裹黏附程度下降,礫石孔隙中小尺寸堵塞物黏團(tuán)數(shù)量明顯減少。這說(shuō)明清洗掉堵塞物中的瀝青質(zhì)后,包裹礫石的堵塞物親油性減弱,吸附程度明顯降低。
圖11 處理后堵塞物侵入礫石層顯微照片F(xiàn)ig.11 Photomicrograph of the plug intruding into the gravel layer after treatment
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,聚合物堵塞物侵入會(huì)降低擋砂介質(zhì)滲透率,同時(shí)與地層砂復(fù)合堵塞會(huì)進(jìn)一步降低擋砂介質(zhì)滲透率,分析認(rèn)為其堵塞機(jī)理主要為:1)堵塞物中的聚合物老化物具有聚團(tuán)黏附作用,黏附包裹在擋砂介質(zhì)表面,加劇了地層砂對(duì)礫石層和繞絲篩管的堵塞程度﹐同時(shí)提高了擋砂效果(見(jiàn)圖12);2)堵塞物受液體剪切攜帶會(huì)剝落小尺寸黏團(tuán),擠人深部礫石層孔喉中,阻礙了地層砂運(yùn)移,從而加劇了堵塞程度;3)堵塞物大團(tuán)塊黏附于擋砂介質(zhì)表面,局部區(qū)域形成完全封堵。
圖12 聚合物堵塞物加劇堵塞原理示意Fig.12 Schematic diagram of plugging aggravation brought by polymer plug
近井區(qū)域產(chǎn)生堵塞后,應(yīng)盡早采取解堵措施,防止堵塞程度加劇。根據(jù)近井擋砂介質(zhì)堵塞機(jī)理,可行的非均相聚合物驅(qū)地層解堵策略為:1)適當(dāng)增大篩管擋砂精度(即增大通過(guò)篩管的地層砂的最大粒徑或篩管能阻擋的地層砂的最小粒徑),選用更粗的充填礫石,以增強(qiáng)流通性;2)改變固相充填顆粒和篩管表而的物理化學(xué)性質(zhì),降低對(duì)聚合物的吸附程度;3)采用高飽和充填防砂工藝,緩解近井堵塞;4)可嘗試改進(jìn)解堵液工藝,或使用有機(jī)溶劑處理近井區(qū)域;5)應(yīng)充分?jǐn)嚢枞芙饩酆衔锱cPPG,減少不溶物(俗稱“魚(yú)眼”)的產(chǎn)生。
1)非均質(zhì)地層中,堵塞物趨向于沿大孔道或高滲透區(qū)運(yùn)移,侵人低滲透儲(chǔ)層的概率較低;堵塞物沿大孔道運(yùn)移過(guò)程中遇到低滲透區(qū)時(shí),將產(chǎn)生聚集堵塞。
2)非均相復(fù)合驅(qū)礫石充填防砂井近井地帶堵塞是聚合物原液、堵塞物及固相顆粒的物理化學(xué)復(fù)合堵塞的結(jié)果,堵塞程度與堵塞物含量呈明顯正相關(guān),堵塞物經(jīng)有機(jī)溶劑處理后,對(duì)礫石層滲透率的傷害程度顯著降低。
3)聚合物堵塞物加劇擋砂介質(zhì)堵塞的主要機(jī)理為:堵塞物存在自身聚團(tuán)現(xiàn)象,并黏附包裹在擋砂介質(zhì)表面,加劇地層砂對(duì)礫石層和繞絲篩管的堵塞程度;堵塞物受液體剪切攜帶會(huì)剝落小尺寸黏團(tuán),擠人深部礫石層孔喉中,阻礙了地層砂運(yùn)移加劇堵塞產(chǎn)生;大團(tuán)塊堵塞物黏附于擋砂介質(zhì)表面,對(duì)局部區(qū)域完全封堵。
4)非均相復(fù)合驅(qū)地層解堵策略主要包括適當(dāng)增大篩管擋砂精度、涂覆表面改性材料、細(xì)化注人體系配制過(guò)程和改進(jìn)解堵液工藝等。